První kvantový počítač stojí deset milionů dolarů

Karel Javůrek  |  Technika

D-Wave Systems představila první kvantový počítač D-Wave One určený do běžného prodeje. Obsahuje 128qubitový procesor. Je to další technologický milník?

Současné počítače jsou založeny na tranzistorech a výpočtech v dvojkové soustavě, které dominují jedničky a nuly. Některé náročné úlohy, jako například faktoriály velkých čísel či řešení úloh typu obchodního cestujícího, jsou pro ně v rozumném čase vlastně neřešitelné.

Miniaturizace se za pár let dostane do fáze, kdy již narazíme na samou hranici atomu, viz článek Nanotranzistor způsobí převrat v elektronice. Vědci už sice zkoumají 1,5nm tranzistor, který pracuje pouze s jediným elektronem, ale jak bude probíhat další technologický vývoj?

Jednou z možných cest jsou kvantové počítače. Využívají našich znalostí v prapodivném světě kvantové mechaniky, kde se vše chová zcela jinak, než jsme zvyklí v běžném světě.

Průkopníci z D-Wave Systems

Společnost D-Wave Systems byla založena teprve v roce 1999, ale už od samého počátku se věnuje vývoji kvantových procesorů, potažmo celých počítačů. Představení kvantového systému Orion, který byl však pouze prototypem, se uskutečnilo v roce 2007. Tento počítač obsahoval 16qubitový kvantový supravodivý procesor.

Tento procesor na rozdíl od současných počítačů pracuje s takzvanými qubity. Pro pochopení budeme muset přiblížit, v čem se vlastně liší od klasického bitu. Ten má dva stavy – 0 nebo 1. S nimi pracují tranzistory, které napětí propouští nebo nikoli.

Kvantový bit (qubit) funguje na stejném principu, jeho hodnota je ale uložena v kvantových vlastnostech částice. Vzhledem k tomu, že částice může mít 2^N kvantových stavů (superpozice), lze pro data využít obrovské množství prostoru. Oproti klasickému světu je zde ale vlastnost kvantové mechaniky – až do okamžiku měření se přenáší oba stavy – tedy nula i jednička – zároveň.

Orion, starší 16qubitový procesor z roku 2007. Zdroj: D-Wave Systems
Orion, starší 16qubitový procesor z roku 2007. Zdroj: D-Wave Systems

16qubitový procesor je tak schopen pracovat až se šestnácti stavy současně. V budoucnu bude vyšší počet stavů vést k mnohem lepšímu škálování pro výpočet náročných úloh.

D-Wave One a 128qubitový procesor

Před dvěma týdny, konkrétně 11. května letošního roku, byl představen světově první komerční kvantový počítač D-Wave One, který obsahuje 128qubitový procesor. Rainier, jak se tento kvantový procesor nazývá, pracuje tedy se 128 stavy současně a je vyroben ze supravodivých kovů chlazených až k hranici absolutní nuly, k čemuž slouží integrované chlazení pomocí tekutého hélia. Konkrétně jde o niob pro využití Josephsonova jevu skrze 24 tisíc Josephsonových smyček.

D-Wave One – první komerčně prodávaný kvantový počítač. Zdroj: D-Wave Systems
D-Wave One – první komerčně prodávaný kvantový počítač. Zdroj: D-Wave Systems

Zajímavostí je, že prototyp tohoto systému měli ve svých rukou i výzkumní inženýři z Googlu. Tento typ počítačů je totiž do budoucna ideální pro zpracování velkého množství dat a k rozpoznávání, například při detekce obrazu, hlasu a podobně.

Procesor se programuje pomocí zvláštního programovacího jazyka. Zvládá zatím pouze jedinou matematickou operaci z oblasti diskrétní optimalizace. Procesor je složen celkem z šestnácti menších stejných částí, z nichž každá obsahuje 1 500 Josephsonových smyček.

128qubitový procesor je chlazený tekutým héliem, který vyžadují supravodivé materiály pro využití kvantových jevů. Zdroj: Wikipedia
128qubitový procesor je chlazený tekutým héliem, který vyžadují supravodivé materiály pro využití kvantových jevů. Zdroj: Wikipedia

Cena je zatím deset milionů dolarů

Vzhledem k tomu, že se jedná o první komerčně prodávaný kvantový počítač, nelze očekávat žádnou lidovou cenu. Kompletní systém, který je určen především k dalšímu vědeckému zkoumání, stojí deset milionů dolarů. V přepočtu tedy přes 200 milionů korun.

Tato cena se ale nijak neliší od ceny prvních počítačů. I ty byly napřed také výsadou pouze nejlepších laboratoří a výzkumných firem. Technologický vývoj jde ale neustále dopředu a s tím souvisí nejen výkon počítačů, ale také jejich cena.

V plánu už jsou 256qubitové, 512qubitové či 1024qubitové procesory. S nimi pak počítače, které jsou schopné nejen data ukládat v rámci kvantových vlastností částic, ale také zpracovat (logické operace) pomocí kvantových jevů. Cenu by mělo postupně snižovat využití levnějších materiálů. Však na začátku letošního roku se už objevily první testy s klasickým křemíkem, byť stále s nutností teploty kolem absolutní nuly.

Takto vypadá wafer se 128qubitovými kvantovými procesory. Zdroj: D-Wave Systems
Takto vypadá wafer se 128qubitovými kvantovými procesory. Zdroj: D-Wave Systems

Končí období tranzistorů

Odhadem za pouhých deset let se s velkou pravděpodobností dočkáme kvantového počítače s tisíckrát vyšším výkonem, v roce 2030 rovnou milionkrát výkonnějším. Cena by měla klesat stejným tempem, takže přespříští desetiletí už budeme mít možná nějaký kvantový mobilní přístroj po kapsách.

Díky obrovskému výkonu dokáže okamžitě a velmi přesně rozpoznávat předměty v okolí i naši tvář. Stejně tak pozná i hlas a následně ho zpracuje či pochopí díky rozsáhlé databázi.

Všimněte si také načasování této technologie, která přichází právě v době, kdy pomalu končí tranzistorové období. Podobný přechod se v rámci výpočetní techniky stal už vícekrát: od elektromechanického relé, přes vakuovou elektronku až po tranzistory a integrované obvody. Vždy se narazilo na známé hranice a poté se přešlo na novou, již relativně připravenou technologii.

Ať už vědci narazí při vývoji na jakékoli problémy, s vysokou pravděpodobností je časem vyřeší. Vývoj je zkrátka nezastavitelný a na první pohled by se mohlo zdát, že až podezřele jednoznačný. Toto století nás čeká ještě mnoho překvapení a magických technologií, které si zatím nedokážeme ani představit.

Nejčtenější

Další weby Mladé fronty